Composición compuesta por partículas de óxido metálico nanoestructuradas y de al menos un agente estabilizante,

en la que dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas conservan una razón de área superficial con respecto a masa superior a o igual a 50 m2/g, se componen de partículas primarias en el intervalo de tamaño de 5 nm a 50 nm y son mesoporosas, teniendo una distribución de tamaño de poro entre 2 nm y 30 nm, tras tratarse térmicamente dicha composición a una temperatura de al menos 600ºC durante al menos 6 horas, en la que el óxido metálico en dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas es titania o zircona, y en la que el agente estabilizante se selecciona del grupo que consiste en silicato, fosfato y fosfato de aluminio

Partículas nanoestructuradas con alta estabilidad térmica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de las partículas nanoestructuradas.

Antecedentes de la invención

Cuando se desarrolla un catalizador, dos de los parámetros que son más importantes son el tamaño de las partículas que comprenden el material catalítico y la estabilidad térmica de esas partículas. Es importante el tamaño de partícula porque se refiere al área superficial, y el aumento del área superficial puede aumentar la eficacia; áreas superficiales más grandes proporcionarán más sitios en los que el material catalítico puede entrar en contacto con las sustancias que van a catalizarse. Es importante la estabilidad térmica, porque para muchas reacciones catalíticas, o bien se requiere un proceso a alta temperatura o bien es ventajoso para obtener un mejor rendimiento, y con el fin de que un catalizador sea eficaz, el propio catalizador debe ser estable a esas temperaturas.

Desafortunadamente, las tecnologías conocidas para desarrollar partículas para su uso en aplicaciones de catalizador son deficientes porque no pueden producir partículas que tengan tanto razones de área superficial con respecto a masa suficientemente altas como una estabilidad térmica suficientemente alta. Por ejemplo, se han empleado productos de zircona mesoporosos y porosos con razones de área superficial con respecto a masa deseables en aplicaciones de catálisis. Sin embargo, con las tecnologías actualmente existentes, la estructura altamente porosa de estos productos hace que las partículas sean eficaces de manera inferior a la óptima durante un tratamiento a alta temperatura. Según otros métodos conocidos, pueden producirse partículas con alta estabilidad térmica, pero esas partículas tienen razones de área superficial con respecto a masa inaceptables.

Por tanto, sigue habiendo una necesidad de desarrollar composiciones compuestas por nanopartículas térmicamente estables que tienen altas razones de área superficial con respecto a masa. La presente invención proporciona una solución.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere a productos particulados nanoestructurados que tienen una gran área superficial específica, lo que hace referencia a la razón de área superficial con respecto a masa, así como una alta estabilidad térmica. Más particularmente, la presente invención se refiere a productos particulados de óxido metálico nanoestructurados que tienen las características mencionadas anteriormente.

En un aspecto, la presente invención proporciona una composición cm compuesta por partículas de óxido metálico nanoestructuradas y al menos un agente estabilizante, en la que dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas conservan una razón de área superficial con respecto a masa superior a o igual a 50 m²/g, se componen de partículas primarias en el intervalo de tamaño de 5 nm a 50 nm y son mesoporosas, teniendo una distribución de tamaño de poro entre 2 nm y 30 nm, tras tratarse térmicamente dicha composición a una temperatura de al menos 600ºC durante al menos 6 horas, en la que el óxido metálico en dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas es titania o zircona, y en la que el agente estabilizante se selecciona del grupo que consiste en silicato, fosfato y fosfato de aluminio.

En otro aspecto, la invención proporciona un catalizador compuesto por la composición anterior y al menos un componente activo seleccionado del grupo que consiste en sulfatos, vanadatos, molibdatos, tungstatos, alúmina, sílice, óxidos metálicos, sales metálicas y metales.

Aún en otro aspecto, la invención proporciona un método de producción de una composición compuesta por partículas de óxido metálico nanoestructuradas, comprendiendo dicho método envejecer precursores de nanopartícula, que comprenden al menos un óxido seleccionado del grupo que consiste en zircona y titania, en una suspensión líquida que comprende bases orgánicas solubles en agua o amoniaco con un pKa de aproximadamente 9 o superior; a una temperatura superior a o igual a 60ºC mientras se mantiene un pH superior a o igual a pH 7 y en presencia de al menos un agente estabilizante seleccionado del grupo que consiste en silicato, fosfato y fosfato de aluminio.

Aparecen realizaciones preferidas de la invención en las reivindicaciones dependientes.

La gran área superficial y la alta estabilidad térmica de los productos particulados de la presente invención hacen que los productos sean útiles como, por ejemplo, catalizadores, soportes de catalizador, adsorbentes y materiales para membranas de separación. Son particularmente útiles para aplicaciones en las que es necesaria o beneficiosa una operación a altas temperaturas. Estas aplicaciones incluyen catalizadores DeNO_x, catalizadores para automóviles y catalizadores químicos para reacciones a alta temperatura.

Para una mejor comprensión de la presente invención, junto con otras realizaciones y realizaciones adicionales, se hace referencia a la siguiente descripción tomada conjuntamente con los ejemplos, cuyo alcance se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 es una representación de la comparación de la estabilidad térmica de partículas de zircona nanoestructuradas en la que se representan gráficamente valores de área superficial BET frente a temperaturas de calcinación.

La figura 2 es una representación de las curvas de distribución de tamaño de poro de partículas de zircona nanoestructuradas. Todas las muestras se calcinaron en las mismas condiciones, 800ºC durante 6 horas.

Las figuras 3A y 3B son representaciones de imágenes de TEM (microscopía electrónica de transmisión) de partículas de zircona nanoestructuradas. La figura 3A es una representación de las partículas del ejemplo comparativo 1. La figura 3B es una representación de las partículas del ejemplo 3. Ambas partículas se calcinaron a 800ºC durante 6 horas. Las figuras muestran diferencias en la estructura y la morfología de las partículas. La figura 3C también es una representación de las partículas del ejemplo comparativo 1 y está a mayor aumento que la figura 3A. La figura 3D es una representación de las partículas del ejemplo 6. Ambas partículas se calcinaron a 800ºC durante 6 horas y muestran diferencias en las unidades cristalinas individuales.

La figura 4 es una representación de espectros de difracción de rayos X de polvo de los siguientes productos: (A) ejemplo 9, calcinado a 700ºC, mostrando un espectro de fase monoclínica típico; (B) ejemplo 1, calcinado a 800ºC, mostrando un espectro de fase principalmente tetragonal con una pequeña cantidad de fase monoclínica; y (C) ejemplo 2, calcinado a 800ºC, mostrando un espectro de fase típico para la fase tetragonal metaestable.

La figura 5 es una representación de una representación gráfica de valores de área superficial BET frente a la temperatura de transición de fase tetragonal a monoclínica derivada del análisis térmico diferencial. La correlación de línea casi recta indica que la estabilidad térmica de las partículas nanoestructuradas está determinada por la estabilidad de la fase tetragonal metaestable.

Descripción detallada

La presente descripción no pretende ser un tratado sobre nanopartículas. Se remite a los lectores a textos y otros materiales en el campo disponibles apropiados para información de referencia adicional.

Definiciones

Tal como se usa en esta descripción, ciertos términos y expresiones se definen, a menos que se especifique lo contrario, tal como sigue:

La expresión "intervalo de tamaño de mesoporo" hace referencia a un tamaño en el intervalo de 2-50 nm según se mide mediante el método de BET.

El término "nanopartículas" hace referencia a partículas que tienen un tamaño global en el intervalo de nanoescala de 1-100 nm.

El término "nanoescala" hace referencia a una sustancia que, en al menos una dimensión, está en el intervalo de tamaño de 1-100 nm.

La expresión "partícula nanoestructurada" se refiere a una partícula que se compone de una o más subunidades (las unidades cristalinas o partículas primarias de la presente invención) que tiene un tamaño de 1-100 nm.

La expresión "partícula primaria" y la expresión "unidad cristalina" se refieren a las unidades particuladas diferenciadas más pequeñas de una...

1. Composición compuesta por partículas de óxido metálico nanoestructuradas y de al menos un agente estabilizante, en la que dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas conservan una razón de área superficial con respecto a masa superior a o igual a 50 m²/g, se componen de partículas primarias en el intervalo de tamaño de 5 nm a 50 nm y son mesoporosas, teniendo una distribución de tamaño de poro entre 2 nm y 30 nm, tras tratarse térmicamente dicha composición a una temperatura de al menos 600ºC durante al menos 6 horas, en la que el óxido metálico en dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas es titania o zircona, y en la que el agente estabilizante se selecciona del grupo que consiste en silicato, fosfato y fosfato de aluminio.

2. Composición según la reivindicación 1, en la que dicho óxido metálico es zircona.

3. Composición según la reivindicación 2, en la que dichas partículas primarias tienen un tamaño entre 5 y 20 nm, tienen un área superficial superior a o igual a 70 m²/g y tienen una distribución de tamaño de poro de aproximadamente 2 nm a aproximadamente 20 nm.

4. Composición según la reivindicación 3, en la que dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas tienen una temperatura de transición de fase tetragonal a monoclínica de aproximadamente 600ºC o superior.

5. Composición según la reivindicación 4, en la que al menos el 90% de dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas están en forma cristalina tetragonal.

6. Catalizador compuesto por la composición según la reivindicación 1 y al menos un componente activo seleccionado del grupo que consiste en sulfatos, vanadatos, molibdatos, tungstatos, sílice, alúmina, óxidos metálicos, sales metálicas y metales.

7. Catalizador según la reivindicación 6, en el que dichas partículas de óxido metálico nanoestructuradas son de zircona.

8. Método de producción de una composición compuesta por partículas de óxido metálico nanoestructuradas según la reivindicación 1, comprendiendo dicho método envejecer precursores de nanopartícula, que comprenden al menos un óxido seleccionado del grupo que consiste en zircona y titania, en una suspensión líquida que comprende bases orgánicas solubles en agua o amoniaco con un pKa de aproximadamente 9 o superior; a una temperatura superior a o igual a 60ºC mientras se mantiene un pH superior a o igual a pH 7 en presencia de al menos un agente estabilizante seleccionado del grupo que consiste en silicato, fosfato y fosfato de aluminio.

9. Método según la reivindicación 8, que comprende además: precipitar un óxido hidratado coloidal, tratar dicho óxido hidratado coloidal con el al menos un agente estabilizante para formar partículas tratadas; y secar dichas partículas tratadas para formar partículas secadas.

10. Método según la reivindicación 9, que comprende además calcinar dichas partículas secadas para formar partículas calcinadas.

11. Método según la reivindicación 9, en el que dichos precursores de nanopartícula comprenden una disolución de sal de zirconio o un compuesto de zirconio orgánico.

12. Método según la reivindicación 9, en el que dicho óxido hidratado coloidal se trata a una temperatura de al menos 80ºC y a un pH de al menos pH 9.

13. Método según la reivindicación 9, en el que dicho óxido hidratado coloidal se trata en un autoclave cerrado herméticamente a una temperatura en el intervalo de 80ºC a 150ºC.

14. Método según la reivindicación 10, en el que dicha calcinación se lleva a cabo a una temperatura de al menos 600ºC.

15. Método según la reivindicación 14, en el que dichas partículas calcinadas son térmicamente estables a una temperatura de al menos 600ºC durante al menos 6 horas.